Scientific journal
Modern problems of science and education
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

THE CALCULATION OF THE BENDING STRENGTH OF THE CONNECTION SHERPA IN THE WOODEN STRUCTURES BY CONSISTING OF THE PANEL-CLT AND BEAM OF CLT OR LVL

Xu Yun 1
1 Saint-Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering (SPSUACE)
Рассматриваются современные способы численного моделирования элемента соединений деревянных конструкций в составе стеновой панели-CLT и балки из CLT и LVL с металлическими накладками SHERPA при изгибе. Показаны известные научные исследования отечественных проектирований и зарубежных нормативных документов. В статье предлагается новая численная модель в зависимости от сопротивления шурупа на выдергивание, сопротивления древесины и металлических накладок смятию в гнездах и прочности элементов соединений деревянных конструкций на металлических накладках и шурупов на сдвиг. Приводятся результаты экспериментов для проверки достоверности численного исследования. После сравнительного анализа расчётных и фактических результатов показаны достоверность и возможность применения предлагаемой численной модели для расчёта прочности соединения SHERPA в деревянных конструкциях на изгиб.
The modern methods of numerical simulation of the bending strength of connection SHERPA in the wooden structures in the composition of the wall panel-CLT and beam from CLT and LVL are considered. The well-known scientific researches of native projections and foreign regulations are shown. The paper proposed a new numerical model depending on the withdrawal strength of screw, the shear strength of screw and the embedment strength of the wooden and metal holes. The experiments are carried out to validate the numerical study. After a comparative analysis of the calculated and actual results the validity and the possibility of the applied numerical model to calculate the bending strength of connection SHERPA in the wooden structures are shown.
SHERPA
the shear strength
connection
comparative analysis

С тех пор, как основатель компании Vinzenz Harrer Gmbh — Винценц Харрер [3] провел необходимость разработки нормативной системы соединений и крепежа деревянных конструкций с использованием современной системной технологии, в 2004 г родилась идея самого первого крепежа SHERPA, основанного по принципу: два алюминиевых элемента объединились, создавая (перевернутую) форму давно используемого традиционного соединения типа «ласточкин хвост». С использованием вертикальных и наклонных шурупов металлические накладки могут крепиться к торцевой поверхности деревянных элементов. Поэтому несущая способность соединения SHERPA зависит от характеристики материалов, расположения и прочности шурупа при выдергивании и сдвиге в деревянных элементов, предела текучести материала металлической накладки и т. д. В научных работах автора проведены испытания несущей способности шурупа на выдергивание и сдвиг. После обработки данных экспериментальных результатов и выполнения сравнительного анализа, базирующихся на данных нормах и теории Johansen [1], автором предложен новый алгоритм для расчёта несущей способности шурупа без и с креплением МЗП (металлические зубчатые пластины) на деревянных элементах при сдвиге.

Целью настоящей работы является проведение численный расчёт и экспериментально подтверждены расчётные результаты прочности соединения SHERPA на изгиб, установленного на торцевой поверхности панели - CLT и балке из СLT и LVL.

Соединение SHERPA может воспринимать вертикальные и горизонтальные усилия и воспринимать усилия на растяжение и сжатие, изгибающие моменты по трем взаимно перпендикулярным осям, но вертикальная нагрузка вдоль направления вставки аллюминиевых деталей и изгибающий момент от прогиба балки наиболее влияют на несущую способность соединения SHERPA на изгиб. На рис. 1 приведена расчётная схема для несущей способности соединения SHERPA [2] и [5], из которого видно, что несущая способность соединения зависит от слеудющих факторов:

  • прочность односрезного шурупа на метталической накладке в деревянных элементах
  • вертикальный компонент от прочности шурупа на выдергивание под углом к волокнам древесины
  • сила трения между себе аллюминиевыми накладками и деревянными элементами в зависимости от горизонтального компонента из-за прочности шурупа на выдергивание под углом к волокнам

Рис. 1. Расчётная схема для  несущей способности соединения SHERPA на изгиб[2].

Шурупы для соединения SHERPA разделяются на горизотальный и наклонный шуруп под углом α=37,5º к волокнам для серий продукции XS - L. Поскольку количество и прочность шурупа под углом к волокнам, конструктивные и геомтерические характеры деревянных элементов имеют отчётливую разницу, считав расчёт несущей способности соединения, минимальное значение должно быть выбрано по сравнению с прочностью аллюминиевых деталей из соединения SHERPA, установленного на различных частях деревянных элементах. Численый алогоритм для расчёта несущей способности соединения SHERPA на изгиб приведен по следующим формулам.

1.     Несущая способность односрезного шурупа на метталической накладке в деревянном элементе при сдвиге, Н;

 

 

 

                                                                                (1)

                                                                              (2)

                                                                                                         (3)

                                                                         (4)

                                                                                                                                                (5)

2.     Вертикальный компонент от несущей способности шурупа на выдергивание под углом к волокнам, Н;

                                                                                                                                                (6)

3.     Сила трения между аллюминиевыми наладками и деревянными элементами, Н;

                                                                                                                                   (7)

4.     Несущая способность соединения SHERPA при изгибе на панели - CLT и балке из CLT и LVL определена по уравнениям, Н;

                                                                                          (8)                                                                                                     (9)                                                                                            (10)

Где:

Fv,k,sherpa - несущая способность соединения SHERPA при изгибе, Н;

Fv,k,панель,sherpa - несущая способность соединения SHERPA при изгибе на панели - CLT, Н;

 Fv,k,балка,sherpa  - несущая способность соединения SHERPA при изгибе на балке, Н;

Rax,k - несущая способность шурупа на выдергивание под углом к волокнам, Н;

μ - коэффицент силы трения; μ= 0,25 [2];

n - количество шурупов;

м1/2 – виды разрушения в соответствии с теорией Johansen [1].

С целью получения экспериментальной нормативной прочности испытания проводились в механической лаборатории СПбГАСУ, где можно проводить испытание при изгибе с использованием универсальной испытательной машины INSTRON 5969, имеющей максимальный режим работы до 50 кН. Поскольку в работах автора использованы конструкции «балка из LVL (брус из клееного шпона) и стеновая панель из CLT (панели из поперечно-клееной древесины)», нужно определить плотности материалов из CLT и LVL (температура в лаборатории - 20±1℃ и влажность материалов - 13%). На основе полученных результатов испытаний плотности составляют 495 кг/м3 для CLT и 560 кг/м3 для LVL. Режим загружения при непрерывном увеличении нагрузки составлял 2 мм/мин. Расположение соединения SHERPA и экспериментальный стенд показаны на рис. 2. Виды разрушения деревянных элементов приведены на рис. 3.

а)  б)

.  Рис. 2. Установка испытания опытного соединения SHERPA: а — расположение соединения SHERPA;  б— экспериментальный стенд

 

   а,1)а,2)б,1)б,2)

Рис. 3. Виды разрушения деревянных элементов на изгиб: a,1— a,2 для балки из LVL; б,1— б,3 для балки из CLT.

 

Для выполнения расчёта и обработки данных использовались программы: Microsoft Excel, Origin pro, IBM SPASS Statistics, Mathcad. Экспериментальные результаты несущей способности соединения SHERPA на изгиб приведены в табл. 1 и зависимость «нагрузка-перемещение» для изгиба соединения SHERPA приведена на рис. 4.

Таблица 1

 Экспериментальные результаты

На широкой стороне панели - CLT для эксперимента №.1

На узкой стороне панели - CLT для эксперимента №.3

Вдоль волокон балки из LVL для эксперимента №.2

Fax,test1

Fax,теку2

Fax,max3

Fax,test

Fax,теку

Fax,max

Fax,test

Fax,теку

Fax,max

38377,45

5201,18

5220,61

37112,56

42084,32

46401,48

31164,43

36200,52

44076,96

Примечания: Fax. test — фактическая несущая способность, Н; Fax. max — максимальная нагрузка, Н; Fax. тек. — предел текучести, Н

 

 

Рис. 4. Зависимость «нагрузка-перемещение» для изгиба соединения SHERPA: красная кривая — для балки - LVL; чёрная кривая — для балки - CLT; синяя кривая — для балки - CLT

Из рис. 4 видно, что несущая способность соедиения SHERPA в деревянной конструкции в составе стеновой панели-CLT и балки из CLT выше, чем  балки из LVL. Это зависит от расположения, количества и прочности шурупа на выдергивание и сдвиг.  Для расчёта фактической несущей способности соединения SHERPA тип крепления может быть рассмотрен балкой с двумя заделанными концами. Поскольку эта статически неопределимая задача при изгибе, с помощью [4] могут быть обработаны экспериментальные результаты из табл. 1. Сравнение расчётных результатов несущей способноти соединения SHEPRA с использованием предлагаемых уравнений (1-10) и экспериментальных результатов показано в табл. 2.

Таблица 2

Сравнение расчётных и фактическых результатов

На широкой стороне панели из CLT для эксперимента №.1

На узкой стороне панели из CLT для эксперимента №.3

Вдоль волокон балки из LVL для эксперимента №.2

Fv,ф,1,CLT1

Fv,р,1,CLT2

μ13

Fv,ф,3,CLT

Fv,р,3,CLT

μ3

Fv,ф,2,CLT

Fv,р,2,CLT

μ2

27830

23309

19,40%

26910

25124

7,11%

22600

30920

26,91%

Примечания:

1.      Fv,ф,CLT - фактическая несущая способность, Н;

2.      Fv,р,CLT  - расчётная несущая способность, Н;

3.      μn - процентное соотношение  Fv,ф,n,CLT/LVL и  Fv,р,n,CLT/LVL;;

n - номер экспериментов.

 

Из табл. 2 оченвидно, что расчётные результаты ниже, чем фактические и разница между обоими результатами составляет максмально до 26.9%, минимально до 7.11%. С использованием предлагаемых уравнений (1-10) численная модель может прогнозировать несущую способность соединения на изгиб. В своей очереди погрешность для оценки фактической несущей способности соединении в реальном проектировании уже имеет достоточную точность и безопасность.

Выводы

1.     Предложен новый численый алгоритм для расчёта прочности соединения SHERPA на изгиб в деревянных конструкциях в зависисимости от сопротивления шурупа на выдергивание, сопротивления древесины и металлических накладок смятию в гнездах и прочности элементов соединений деревянных конструкций на металлических накладках и шурупов на сдвиг;

2.     Получены новые данные о несущей способности соединения SHERPA в деревянных конструкциях в составе стеновой панели-CLT и балки из CLT и LVL на изгиб;

3.     Теоретически рассчитаны и экспериментально подтверждены расчётные значения.

 

Рецензенты:

Глухих В.Н., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой технической механики, ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет»,               г. Санкт-Петербург.

Черных А.Г., д.т.н., профессор, ректор СПГХПА, г. Санкт-Петербург.